DE102022128598A1

DE102022128598A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Inertisierung einer Prozesskammer für die additive Fertigung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102022128598A1
Application number: DE102022128598.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Schaede; Jakob Kaiser
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024088795A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur additiven Fertigung eines Werkstücks (44). Die Vorrichtung (10) weist zumindest ein Fluidisierungskissen (20) auf, um Schutzgas (16) blockförmig und gleichmäßig ins Innere einer Prozesskammer (12) einzuströmen. Hierdurch kann die Prozesskammer (12) effektiv inertisiert werden. Ein Gasauslass (18) ist vorzugsweise einem Gaseinlass (14) mit dem Fluidisierungskissen (20) gegenüberliegend angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren (34) zum Betrieb einer solchen Vorrichtung (10). In dem Verfahren (34) wird vorzugsweise eine Inertisierung der Prozesskammer (12) durch das Fluidisierungskissen (20) erzielt, bevor die additive Fertigung des Werkstücks (44) beginnt, wobei während der additiven Fertigung eine Pumpe (52) für die Durchströmung der Prozesskammer (12) mit Schutzgas (16) sorgt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer auf, in der das Werkstück additiv aufbaubar ist. Die Vorrichtung weist weiterhin an der Prozesskammer einen Gaseinlass und einen Gasauslass zur Durchführung von Schutzgas durch die Prozesskammer auf, um eine Inertisierung der Prozesskammer und/oder eine Gasströmung im Fertigungsprozess zu erreichen.
Aus der WO 2019/162190 A1 ist eine solche gattungsgemäße Vorrichtung bekannt geworden, bei der eine Prozesskammer zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen mit Schutzgas durchströmt wird. Das Schutzgas wird gemäß der WO 2019/162190 A1 punktuell in die Prozesskammer eingeströmt.
Die WO 2018/086887 A1 lehrt, zum Gaseinlass in eine Prozesskammer eine poröse Wand einzusetzen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, die eine signifikant effektivere Inertisierung einer Prozesskammer ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch eine eingangs beschriebene Vorrichtung, bei der der Gaseinlass ein Fluidisierungskissen aufweist. Das Fluidisierungskissen weist eine Platte mit mehreren bezüglich der Durchströmungsrichtung des Fluidisierungskissens hintereinander angeordneten Gittern auf. Das Fluidisierungskissen ermöglicht einen besonders gleichmäßigen, im Wesentlichen laminaren und wirbelfreien Gasfluss. Hierdurch kann das sich in der Prozesskammer befindende Gas durch blockförmig einströmendes Schutzgas verdrängt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik findet praktisch keine Verwirbelung und Verdünnung des sich in der Prozesskammer befindenden Gases mit Schutzgas statt, sondern das sich in der Prozesskammer befindende Gas wird effektiv und schnell von der vorderen „Wand“ des Schutzgasblockes aus der Prozesskammer geschoben. Die Inertisierung der Prozesskammer kann dadurch sehr schnell und mit sehr wenig Schutzgas erreicht werden.
Die Platte des Fluidisierungskissens kann in Form einer Drahtgewebe-Verbundplatte ausgebildet sein. Das äußere Gitter bzw. die äußeren Drahtgewebelagen kann/können abgeflachte Kuppen aufweisen, um das Abströmverhalten zu optimieren. Das Fluidisierungskissen weist vorzugsweise eine Porengröße zwischen 5 µm und 500 µm auf.
Die Platte des Fluidisierungskissens kann gebogen ausgebildet sein, um eine besonders laminare, an die Bauform der Prozesskammer angepasste Gasströmung zu erzielen.
Das Fluidisierungskissen kann zur Inertisierung eines Teils, insbesondere eines Großteils, der Verrohrung an/zu der Prozesskammer einsetzbar sein.
Der Gaseinlass kann ein T-förmiges Rohrstück aufweisen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der Gaseinlass ein Y-förmiges Rohrstück auf. Der Stamm (Unterteil der Y-Form) ist vorzugsweise der Prozesskammer zugewandt. Das Fluidisierungskissen kann an einem ersten Ast der Y-Form angeordnet sein, sodass Schutzgas im Wesentlichen geradlinig in die Prozesskammer einströmen kann.
Der zweite Ast der Y-Form kann zu einer Pumpe der Vorrichtung führen. Die Pumpe kann fluidisch zwischen dem Gasauslass und dem zweiten Ast angeordnet sein. An der Pumpe kann ein Filter angeordnet sein.
Um eine besonders geradlinige Durchströmung der Prozesskammer zu erreichen, können der Gaseinlass und der Gasauslass sich gegenüberliegend angeordnet sein. Der additive Aufbau kann, insbesondere in einem Bauzylinder, zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass vorgesehen sein.
Die Inertisierung der Prozesskammer kann noch effektiver durchgeführt werden, wenn die Vorrichtung zumindest ein weiteres Fluidisierungskissen zum Einströmen von Schutzgas in die Prozesskammer aufweist. Das zumindest eine weitere Fluidisierungskissen kann an der Innenseite einer ersten Kammerwand der Prozesskammer angeordnet sein. Das zumindest eine weitere Fluidisierungskissen weist eine Platte mit mehreren Gittern auf.
Dem zumindest einen weiteren Fluidisierungskissen gegenüberliegend kann ein weiterer Gasauslass vorgesehen sein, sodass Schutzgas die Prozesskammer im Wesentlichen geradlinig vom zumindest einen weiteren Fluidisierungskissen durch die Prozesskammer und aus dem weiteren Gasauslass strömen kann.
Die Platte des zumindest einen weiteren Fluidisierungskissens kann gebogen ausgebildet sein, um eine besonders laminare, an die Bauform der Prozesskammer angepasste Gasströmung zu erzielen. Das zumindest eine weitere Fluidisierungskissen und das Fluidisierungskissen können gleich ausgebildet sein.
Das zumindest eine weitere Fluidisierungskissen bedeckt vorzugsweise die Innenseite der ersten Kammerwand überwiegend, insbesondere nahezu vollständig, besonders bevorzugt vollständig. Alternativ dazu kann die Innenseite der ersten Kammerwand überwiegend, insbesondere nahezu vollständig, besonders bevorzugt vollständig, von mehreren weiteren Fluidisierungskissen bedeckt sein. Die mehreren weiteren Fluidisierungskissen weisen jeweils eine Platte mit mehreren Gittern auf. Die mehreren weiteren Fluidisierungskissen können gleich, insbesondere gleich wie das Fluidisierungskissen, ausgebildet sein.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur additiven Fertigung des Werkstücks im Pulverbett ausgebildet. Die Vorrichtung ist dabei vorzugsweise zum pulverbettbasierten Laserschmelzen (Laser Metal Fusion Verfahren) ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Inertisierung einer hier beschriebenen Vorrichtung mit folgendem Verfahrensschritt:

A1) Einströmen von Schutzgas über das Fluidisierungskissen in die Prozesskammer und Ausströmen von Gas (Luft) aus der Prozesskammer über den Gasauslass. Während dieses Verfahrensschrittes erfolgt vorzugsweise keine additive Fertigung des Werkstücks und/oder ist die Pumpe ausgeschaltet.

Der Verfahrensschritt A1 stellt somit vorzugsweise einen Schritt zur Inertisierung der Prozesskammer vor dem eigentlichen Aufbau des Werkstücks dar.
Das Verfahren weist vorzugsweise folgenden Verfahrensschritt auf:

B) Einschalten der Pumpe und additiver Aufbau des Werkstücks.

Während des Verfahrensschrittes B erfolgt vorzugsweise kein Einströmen von Schutzgas über das Fluidisierungskissen. Allerdings kann vorzugsweise vor Prozessstart bei laufender Pumpe durch das Fluidisierungskissen inertisiert werden und/oder während des additiven Aufbaus des Werkstücks zeitweise durch das Fluidisierungskissen nachinertisiert werden.
Vor oder nach dem Verfahrensschritt A1 und vor dem Verfahrensschritt B erfolgt vorzugsweise folgender Verfahrensschritt:

A2) Einströmen von Schutzgas über das zumindest eine, insbesondere mehrere weitere Fluidisierungskissen und Ausströmen von Gas über den weiteren Gasauslass. Während dieses Verfahrensschrittes erfolgt vorzugsweise keine additive Fertigung des Werkstücks und/oder ist die Pumpe ausgeschaltet.

Der Verfahrensschritt A1 stellt somit vorzugsweise einen Schritt zur Inertisierung der Prozesskammer vor dem eigentlichen Aufbau des Werkstücks dar.
Als Schutzgas (Inertgas) wird vorzugsweise Edelgas und/oder Stickstoff eingesetzt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks in einer Prozesskammer, wobei in 1 das Inertisieren eines während des Aufbaus des Werkstücks aktiv durchströmten Teils der Prozesskammer dargestellt ist.
2 zeigt schematisch die Vorrichtung aus 1, wobei in 2 das Inertisieren eines während des Aufbaus des Werkstücks nicht aktiv durchströmten Teils der Prozesskammer dargestellt ist.
3 zeigt schematisch die Vorrichtung aus den 1 und 2, wobei in 3 die aktive Durchströmung der Prozesskammer während des Aufbaus des Werkstücks dargestellt ist.

Die 1-3 stellen weiterhin eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur additiven Fertigung mit einer Prozesskammer 12, einem Gaseinlass 14 zur Einführung von Schutzgas 16 und einem Gasauslass 18 zur Abführung des Schutzgases 16. Das Schutzgas 16 bzw. Inertgas, liegt vorzugsweise in Form von Edelgas bzw. Stickstoff vor.
Das Schutzgas 16 wird über ein Fluidisierungskissen 20 eingeströmt, das eine Platte 22 mit mehreren Gittern 24 aufweist. Die Gitter 24 erzeugen eine sehr laminare Gasströmung mit sehr wenigen Turbulenzen. Hierdurch wird das Schutzgas 16 blockförmig ausgeströmt und schiebt in der Prozesskammer 12 vorhandenes Gas 26 über den Gasauslass 18 aus der Prozesskammer 12. Dabei kann ein erstes Ventil 28, eventuell mit einem Filter 30, zur Umgebungsatmosphäre 32 vorgesehen sein.
1 zeigt einen ersten Verfahrensschritt eines Verfahrens 34 zur Inertisierung der Prozesskammer 12. Weitere Verfahrensschritte sind in den 2 und 3 gezeigt.
2 zeigt die Vorrichtung 10 bzw. das Verfahren 34 mit der Prozesskammer 12, wobei aus 2 ersichtlich ist, dass kein Schutzgasstrom aus dem Fluidisierungskissen 20 erfolgt.
Die Prozesskammer 12 weist eine erste Kammerwand 36 auf, deren Innenseite vollständig mit weiteren Fluidisierungskissen 38a, 38b bedeckt ist. Die weiteren Fluidisierungskissen 38a, b weisen jeweils eine Platte 22 mit mehreren Gittern 24 auf. Schutzgas 16 strömt blockförmig aus den weiteren Fluidisierungskissen 38a, b, um Gas 26 blockförmig aus der Prozesskammer 12 aus einem weiteren Gasauslass 40, und eventuell einem weiteren Filter 42, zu drängen.
3 zeigt die Vorrichtung 10 bzw. das Verfahren 34 während der Fertigung eines Werkstücks 44 durch bereichsweises Schmelzen einer Pulverschicht 46 mit einem Laserstrahl 48. Die additive Fertigung erfolgt dabei vorzugsweise in einem Bauzylinder 50.
Während der additiven Fertigung des Werkstücks 44 wälzt eine Pumpe 52 Schutzgas 16 - gegebenenfalls durch einen Vorfilter 54 - um. Der Vorfilter 54 kann in Form einer Filtereinheit ausgebildet sein.
Allgemein gesagt, kann am Vorfilter 54 ein Filter-Fluidisierungskissen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, das insbesondere gleich ausgebildet ist wie das Fluidisierungskissen 20.
Das Fluidisierungskissen 20 und die weiteren Fluidisierungskissen 38a, b sind dabei vorzugsweise ausgeschaltet, es sei denn, ein Sauerstoffsensor (nicht gezeigt) misst einen signifikanten Anstieg des Sauerstoffgehalts.
Aus 3 ist ersichtlich, dass der Gaseinlass 14 Y-förmig ausgebildet ist, mit einem Stamm 56, einem ersten Ast 58 und einem zweiten Ast 60. Das Fluidisierungskissen 20 ist im ersten Ast 58 angeordnet. Der zweite Ast 60 führt zur Pumpe 52. Der Stamm 56 führt - hier über einen wabenförmigen Verteiler 62 - ins Innere der Prozesskammer 12.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend eine Vorrichtung 10 zur additiven Fertigung eines Werkstücks 44. Die Vorrichtung 10 weist zumindest ein Fluidisierungskissen 20 auf, um Schutzgas 16 blockförmig und gleichmäßig ins Innere einer Prozesskammer 12 einzuströmen. Hierdurch kann die Prozesskammer 12 effektiv inertisiert werden. Ein Gasauslass 18 ist vorzugsweise einem Gaseinlass 14 mit dem Fluidisierungskissen 20 gegenüberliegend angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 34 zum Betrieb einer solchen Vorrichtung 10. In dem Verfahren 34 wird vorzugsweise eine Inertisierung der Prozesskammer 12 durch das Fluidisierungskissen 20 erzielt, bevor die additive Fertigung des Werkstücks 44 beginnt, wobei während der additiven Fertigung eine Pumpe 52 für die Durchströmung der Prozesskammer 12 mit Schutzgas 16 sorgt.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Prozesskammer
14: Gaseinlass
16: Schutzgas
18: Gasauslass
20: Fluidisierungskissen
22: Platte
24: Gitter
26: Gas
28: erstes Ventil
30: Filter
32: Umgebungsatmosphäre
34: Verfahren
36: erste Kammerwand
38a, b: weiteres Fluidisierungskissen
40: weiterer Gasauslass
42: weiterer Filter
44: Werkstück
46: Pulverschicht
48: Laserstrahl
50: Bauzylinder
52: Pumpe
54: Vorfilter
56: Stamm (der Y-Form)
58: erster Ast (der Y-Form)
60: zweiter Ast (der Y-Form)
62: wabenförmigen Verteiler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019162190 A1 [0002]
WO 2018086887 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (10) zur additiven Fertigung eines Werkstücks (44), wobei die Vorrichtung (10) Folgendes aufweist: a) eine Prozesskammer (12) zum Aufbau des Werkstücks (44); b) einen Gaseinlass (14) zur Einführung von Schutzgas (16) in die Prozesskammer (12); c) einen Gasauslass (18) aus der Prozesskammer (12) zur Abführung des Schutzgases (16); dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (14) ein Fluidisierungskissen (20) aufweist, wobei das Fluidisierungskissen (20) eine Platte (22) mit mehreren hintereinander in Durchströmungsrichtung angeordneten Gittern (24) aufweist, um einen gleichmäßigen Gaseinfluss zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Gaseinlass (14) Y-förmig ausgebildet ist, wobei der Stamm (56) der Y-Form mittelbar oder unmittelbar in die Prozesskammer (12) mündet und wobei das Fluidisierungskissen (20) an einem ersten Ast (58) der Y-Form angeordnet ist, sodass über den Stamm (56) der Y-Form Schutzgas (16) in die Prozesskammer (12) einströmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der zweite Ast (60) der Y-Form mit einer Pumpe (52) der Vorrichtung (10) verbunden ist, wobei die Pumpe (52) anderenends mit dem Gasauslass (18) der Prozesskammer (12) verbunden ist, sodass Schutzgas (16) aus dem Gasauslass (18) abgesaugt und über die Pumpe (52), und weiter den Stamm (56) der Y-Form, in die Prozesskammer (12) einströmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gaseinlass (14) und der Gasauslass (18) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der additive Aufbau des Werkstücks (44) zwischen dem Gaseinlass (14) und dem Gasauslass (18) erfolgen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein weiteres Fluidisierungskissen (38a, b) zum Einströmen von Schutzgas (16) in die Prozesskammer (12) an einer ersten Kammerwand (36) der Prozesskammer (12) angeordnet ist, wobei das weitere Fluidisierungskissen (38a, b) eine Platte (22) mit mehreren hintereinander in Durchströmungsrichtung angeordneten Gittern (24) aufweist, wobei dem weiteren Fluidisierungskissen (38a, b) gegenüberliegend ein weiterer Gasauslass (40) in der Prozesskammer (12) angeordnet ist, sodass Schutzgas (16) vom weiteren Fluidisierungskissen (38a, b) durch die Prozesskammer (12), und weiter aus dem weiteren Gasauslass (40), strömen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem das weitere Fluidisierungskissen (38a, b) die erste Kammerwand (36) bedeckt oder mehrere weitere Fluidisierungskissen (38a, b) vorgesehen sind, wobei die weiteren Fluidisierungskissen (38a, b) jeweils eine Platte (22) mit mehreren hintereinander in Durchströmungsrichtung angeordneten Gittern (24) aufweisen, wobei die Platten (22) die erste Kammerwand (36) bedecken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung (10) zur additiven Fertigung des Werkstücks (44) im Pulverbett ausgebildet ist.
Verfahren (34) zur Inertisierung einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Verfahrensschritten: A1) Einströmen von Schutzgas (16) über das Fluidisierungskissen (20) in die Prozesskammer (12) und Ausströmen von Gas (26) aus der Prozesskammer (12) über den Gasauslass (18), wobei kein additiver Aufbau des Werkstücks (44) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Verfahren (34) den folgenden Verfahrensschritt aufweist: B) Einschalten der Pumpe (52) und additiver Aufbau des Werkstücks (44).
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem im Verfahrensschritt B kein Einströmen von Schutzgas (16) über das Fluidisierungskissen (20) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in Verbindung mit Anspruch 5, bei dem das Verfahren (34) den folgenden Verfahrensschritt aufweist: A2) Einströmen von Schutzgas (16) über das weitere Fluidisierungskissen (38a, b) in die Prozesskammer (12) und Ausströmen von Gas (26) aus der Prozesskammer (12) über den weiteren Gasauslass (40), wobei kein Einströmen von Schutzgas (16) über das Fluidisierungskissen (20) und kein additiver Aufbau des Werkstücks (44) erfolgen, wobei der Verfahrensschritt A2 vor oder nach dem Verfahrensschritt A1 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem als Schutzgas (16) ein Edelgas und/oder Stickstoff eingesetzt wird.